天津地區(qū)土壤中萘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

天津地區(qū)土壤中萘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析文件編碼(TTU-UITID-GGBKT-POIU-WUUI-0089)天津地區(qū)土壤中萘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析楊宇,石璇,徐福留,陶澍(北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871)個(gè)樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)萘濃度以及萘對(duì)10種代表性土壤生物的半致死濃度為基礎(chǔ)資料，嘗試用三種方式評(píng)價(jià)了該地區(qū)土壤中萘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。并進(jìn)行了方法學(xué)比較。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暴露濃度和毒性效應(yīng)概率密度函數(shù)的重疊面積為%，聯(lián)合概率曲線非常貼近左、下兩軸，準(zhǔn)確計(jì)算的暴露濃度超過(guò)LC50的概率僅為％。這些結(jié)果均說(shuō)明該地區(qū)土壤萘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)極低，僅嚴(yán)重污染的局部地區(qū)可能發(fā)生最敏感生物種受害。用于進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的三種方法各有利弊，從不同角度反映了上述事實(shí)。ecosystemYangYu,ShiXuan,XuFuliu,TaoShu(CollegeofEnvironmentalSciences,,LaboratoryforEarthSurfaceProcesses,PekingUniversity,Beijing100871,China)Abstract:Threeapproacheswereappliedandevaluatedobservednaphthaleneconcentrationof188topsoilsamplesfromtheareaandLCsofnaphthalenetoten50functionsofconcentrationandLC50was%,thejointprobabilitycurvebendtowardsandveryclosetotheexposureconcentrationexceedsLC50ofvariousspeciesablelynbylocalizedextremelyhighconcentration.Thethreeviewpoints.kassessment；soil；naphthalene作為多環(huán)芳烴中遷移活性最強(qiáng)的化合物，萘是天津地區(qū)1.前言影響范圍最大的持久性有最強(qiáng)的化合物，萘是天津地區(qū)染物之一。近年監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該地區(qū)表土中萘含量高達(dá)275?276?g/kg[1]。與其他多環(huán)芳烴相似，其主要來(lái)源包括雖然目前并未發(fā)現(xiàn)萘具有致癌作用，但其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響早有定論,對(duì)多種生物具有毒性風(fēng)險(xiǎn)分析是定量研究有毒污染物生態(tài)危害的重要手段，因而受到各國(guó)環(huán)境研究者和決策者的高度重視。目前用于風(fēng)險(xiǎn)分析的方法很多，既有簡(jiǎn)單在風(fēng)險(xiǎn)管理中使用方便，但由于忽視了污染物在環(huán)境中濃度的大幅度變異以及不同生物種耐受能力的極大差別，簡(jiǎn)單的閾值很難在生態(tài)系統(tǒng)水平對(duì)污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)做出合理的判斷，被推薦在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的篩選階段使用[7-8].概率風(fēng)險(xiǎn)分析的方法同時(shí)考慮生物耐受性和污染物濃度兩方面的變異，可以對(duì)污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)做出整體評(píng)價(jià)。對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有概率意義的評(píng)估可以采用不同方法。最常見(jiàn)的是將表征化合物基金項(xiàng)目：北京大學(xué)政基金，國(guó)家自然科學(xué)基金(，)作者簡(jiǎn)介：楊宇(1984-)，男，漢族，本科生暴露濃度和毒性參數(shù)的概率密度曲線置于同一坐標(biāo)系下，據(jù)此考察兩個(gè)密度函數(shù)的重疊，并計(jì)算其重疊部分面積表述生物受不利影響的概率[9-10]。這樣的做法實(shí)際上基于濃度分布中心趨勢(shì)在數(shù)值上低于毒性參數(shù)分布的隱含假設(shè)，當(dāng)事實(shí)上毒性參數(shù)分布中心低于濃度分布中心時(shí)，濃度分布正移，重疊面積反而減小，簡(jiǎn)單根據(jù)重疊面積的判斷已失去原有意義。方法的缺陷顯而易見(jiàn)。聯(lián)合概率曲線則以毒性響應(yīng)累積概率(橫標(biāo))和暴露濃度超過(guò)相應(yīng)影響邊界濃度的概率(縱標(biāo))作圖表征特定化合物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[11]。由此得到的曲線在二維平面上的位置反映了風(fēng)險(xiǎn)水平的高低，曲線越靠近坐標(biāo)軸，風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)越小。雖然聯(lián)合概率曲線比簡(jiǎn)單計(jì)算分布重疊面積要合理得多，但仍然缺乏非常確切的概率意義[8]。從理論上說(shuō)，精確計(jì)算整個(gè)濃度－響應(yīng)分布區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的概率密度函數(shù)是比較合理的概率風(fēng)險(xiǎn)分析。這樣的計(jì)算可以通過(guò)蒙特卡羅模擬手段實(shí)現(xiàn)12?？梢岳眠@一概念計(jì)算暴露濃度超過(guò)特定耐受水平的概率，并據(jù)此進(jìn)行評(píng)價(jià)[12]。本研究旨在根據(jù)天津地區(qū)萘的土壤含量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)中報(bào)道的萘對(duì)土壤生物的毒性資料，分別用上述三種方法表征萘對(duì)該地區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，著重對(duì)三種方法進(jìn)行方法學(xué)比較，為更深入地研究本地區(qū)多環(huán)芳烴和其他持久性有機(jī)污染物毒性建立必要手段。土壤萘含量資料來(lái)自對(duì)取于天津地區(qū)，平均采樣密度約為1/60km2。所有樣品均作平行測(cè)定。樣品中多環(huán)芳烴含量均用加速溶劑儀(DionexASE-300)提取，以1:1二氯甲烷－丙酮為提取液。提取溫度140?C，壓強(qiáng)1500psi，預(yù)熱5min，靜態(tài)提取5min。提取液用硅膠層析柱凈化。樣品多環(huán)芳烴(PAH)用GC-MS(安捷倫166890GC/5973MSD)以外及儀器條件設(shè)置參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)從美國(guó)環(huán)保署毒性數(shù)據(jù)庫(kù)中收集萘對(duì)土壤生物的毒性資料，主要為土壤動(dòng)物7-8d暴實(shí)驗(yàn)條件和LC50值列于表1。盡管能收集到的毒性參數(shù)且采用生物并非來(lái)自研究地區(qū)，但這些資料涉及到多數(shù)代表性物種，且一般而言，不同區(qū)域同一物種的耐毒差異遠(yuǎn)低于不同物種間差異，這些資料可以用于本項(xiàng)研究。稱漢譯[14]]愛(ài)勝蚓Eiseniafeida愛(ài)勝蚓Eiseniafeida24670跳蟲(chóng)spider812萵苣lactuca7100中氣門(mén)亞目mesostigmata813螨Oribatida815亞土壤生物實(shí)LC50周期螨屬亞綱816節(jié)腹亞目arthropleona814節(jié)足動(dòng)物arthropoda811彈尾collembola815(f1000表土萘含量00505毒性耐受水平(g/g)圖1天津地區(qū)表土萘的含量分布(左)和土壤動(dòng)物對(duì)萘毒性耐受(右)。兩者分別表現(xiàn)了天津地區(qū)土壤中萘的含量和對(duì)土壤生物毒性的分布特征。(右)。兩者分別表現(xiàn)了天津地區(qū)土壤中萘的含量和對(duì)土壤生物毒性的分布特征。前氣門(mén)亞目prostigmata817根據(jù)上述資料分別求得區(qū)域暴露濃度和生物耐受水平的兩個(gè)概率密度函數(shù)，用Matlab計(jì)算兩函數(shù)曲線重疊部分的面積和暴露濃度超過(guò)生物耐受水平的概率，并得到聯(lián)3．結(jié)果與討論天津地區(qū)土壤萘含量及土壤動(dòng)物對(duì)萘毒性耐受水平分布特征中萘含量(左)和土壤動(dòng)物對(duì)天津地區(qū)表土中萘的平均含量為?g/g，標(biāo)準(zhǔn)差為?g/g。經(jīng)分布檢驗(yàn) (Kolmogorov-Smirnov)后，土壤萘含量服從典型的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。土壤生物對(duì)萘的耐受水平的數(shù)據(jù)量較小，即便作正態(tài)檢驗(yàn)，結(jié)論的可靠性也不高，故直接作對(duì)數(shù)正態(tài)假定兩個(gè)變量的概率密度函數(shù)為：f(Cnap)=1.011113e1Cnapln10f(LC)=e1.329996250f(LC)=e1.329996250LCln10式中Cnap為土壤萘濃度(ug/g)，LC50則代表表述萘對(duì)土壤動(dòng)物毒性的半致死濃度。概率密度函數(shù)重疊面積評(píng)價(jià)將濃度和毒性耐受水平兩個(gè)概率密度函數(shù)放在同一坐標(biāo)系中，并考察兩者重疊程度，為兩函數(shù)重疊部分。對(duì)天津土壤中萘而言，實(shí)際暴露濃度水平總體上大大低于導(dǎo)代表性土壤生物對(duì)萘的耐受性水平，即在同一坐標(biāo)上，前者分布顯著較后者偏左。因此可以根據(jù)兩者重疊面看出，兩個(gè)概率密度函數(shù)重疊部分極小。計(jì)算概率僅為％ (圖2中陰影部分)。說(shuō)明天津地區(qū)萘對(duì)土壤生物的危害極聯(lián)合概率曲線評(píng)價(jià)可以綜合反映致毒效應(yīng)的LC50的累積函數(shù)和土壤萘暴露濃度的反累積函數(shù)(與累積函數(shù)和為1)進(jìn)一步計(jì)算圖3所示聯(lián)合概率曲線，籍以表述土壤萘對(duì)土壤生物毒性的全面關(guān)系。圖中橫標(biāo)為累積危害概率，縱標(biāo)則代表暴露濃度高于影響邊界濃度(相應(yīng)的LC50)的概率。表或或((000.50濃度(g/g)平的重疊，重疊部分用陰影表王喜龍等人(2002)曾經(jīng)用類似方式計(jì)算天津地區(qū)苯并芘、熒蒽和菲三者對(duì)水生生物的毒性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三者對(duì)天津地區(qū)水生生物的毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分布和毒性分布曲線重疊概率相應(yīng)的聯(lián)合概率曲線在位置上比之下，天津地區(qū)土壤中萘對(duì)土壤生物的毒性相對(duì)低得多，概率密度函數(shù)重疊僅5％左右，聯(lián)合概率曲線也非常貼近左、下兩軸(橫標(biāo)累積毒性概率范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于)。兩者都反映了很低的暴暴露濃度超過(guò)LC50概率的直接計(jì)算如果將土壤環(huán)境中萘的濃度和萘對(duì)不同土壤生物物種毒性的LC50視為兩個(gè)獨(dú)立變量，據(jù)此可以得到關(guān)于兩個(gè)變00.020.040.06累積危害概率物毒性的聯(lián)合概率曲線過(guò)二重積分計(jì)算暴露濃度超過(guò)生物L(fēng)C50的概率P計(jì)算公據(jù)此求得天津地區(qū)土壤中萘濃度超過(guò)土壤生物L(fēng)C50值得概率為%。同樣反映了相對(duì)較低的風(fēng)險(xiǎn)水平。方法學(xué)比較與結(jié)果盡管三種方法可以得出非常相似的風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，但三者既有內(nèi)在聯(lián)系也有差別。概率密度函數(shù)是累積函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，反映了累積概率增加或反累積概率下降的速率。隨濃度升高，生物耐受水平的累積概率增加，而暴露濃度的反累積概率密度函數(shù)交于一點(diǎn)，該點(diǎn)左側(cè)暴露濃度概率密度較大，即暴露濃度反累積概率降低較快，生物耐受性水平累積概率增加慢，兩者之和逐漸減小，交點(diǎn)右側(cè)則相反。因此，交點(diǎn)處生物耐受性水平的累積概率與暴露濃度的反累積概率之和取極小值。交點(diǎn)處兩者之和(即S與對(duì)應(yīng)的聯(lián)合概率曲線相切的方程：X+Y=S(X和Y分別為該曲線兩軸的變量，即LC小于某個(gè)分的面積大致確定了聯(lián)合概率曲線的走勢(shì)。該面積越大，聯(lián)合概率曲線離坐標(biāo)軸越遠(yuǎn)，生實(shí)例中，與聯(lián)合概率曲線相切的直線大致為X+Y=，截距與重疊部分面積()接近，一致反映了較小的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，王喜龍(2002)關(guān)于苯險(xiǎn)分析中，密度函數(shù)重疊面積為，與聯(lián)合曲線相切的直線大致為X+Y=，一致反映了相當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)。一般而言，重疊面積大小確定了聯(lián)合概率曲線的某種幾何特征。可見(jiàn)重疊面積計(jì)算適用于簡(jiǎn)單定量評(píng)價(jià)，可以直接反映不同污染風(fēng)險(xiǎn)的大小關(guān)系。聯(lián)合概率曲線雖然不能給出簡(jiǎn)單的可比量，但是卻反映了不同濃度區(qū)間不同耐受程度生物物種的響應(yīng)關(guān)系(這樣的關(guān)系通常不具有簡(jiǎn)單線性關(guān)系)。聯(lián)合概率曲線橫坐標(biāo)代表LC小于某值的概率，縱坐一種暴露濃度超過(guò)LC情況發(fā)計(jì)算的暴露濃度超過(guò)LC的概聯(lián)合概率曲線上點(diǎn)的縱坐標(biāo)僅反映暴露濃度取值的情況，LC的取值未予考慮，其意義綜上所述，計(jì)算重疊面積最為簡(jiǎn)便，用一個(gè)取值表述總體風(fēng)險(xiǎn)，但概率意義不確切；聯(lián)合概率曲線則非常直觀，易于定性比較，而且能表述不同暴露濃度超過(guò)LC的概率數(shù)學(xué)4．結(jié)論用三種方法評(píng)價(jià)了天津地區(qū)土壤中萘對(duì)土壤動(dòng)物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)得到的基本結(jié)果大同小異，即在該特定條件下萘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)?shù)?。從方法學(xué)角度而言，三者既有內(nèi)在聯(lián)系，也表征了風(fēng)險(xiǎn)的不同側(cè)面。其中直接計(jì)算濃度超過(guò)LC值的概率率方面有其獨(dú)到之處。致謝:本研究中得到北京大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院肖寒和謝和虎大力協(xié)助，一參考文獻(xiàn)：鄭一.天津地區(qū)表層土壤多環(huán)芳烴含量及其空間特征的研究.碩士學(xué)位論文,北京大學(xué),2002.HarveyRG..Polycyclicaromatichydrocarbons:ChemistryandCambridgeUniversityPress,NewYork.1991.趙云英,馬永安.天然環(huán)境中多環(huán)芳烴的遷移轉(zhuǎn)化及其17:68~72.alenvironmentalrisksforaseriesofpropylene61~73.,AscreeninglevelassessmentofmercuryinFloridaEvergladesfoodwebs,,2000,47:298~305.Sánchez-BayoF,Baskaran,S.Kennedyrisk(EcoRR):anotherapproachforriskassessmentofpesticidesEcosyst.Environ.,2002,91:37~57.SolomonKR,GiesyJ,JonesP.Probab